0 引　言

在探索未知海洋过程中，无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）以其独特的优越性被广泛应用于海洋研究、资源勘探等工作中^{[1 − 2]}。由于UUV自身携带能源和信息传输距离有限，需要定时回到母船补充能源和传递信息，因此布放回收技术是UUV能够进行常态化作业的关键技术之一。水面有人布放回收方式是目前布放回收重型UUV最常用的方法之一，可分为起重式、A型框架式、滑道式3种布放回收方式 ^{[3 − 7]}。起重式通过起重设备可实现对UUV较为精确的控制，能够适用于多种类型的UUV，缺点是操作过程中UUV稳定较差、通常需要多人协作且操作复杂性高。A型框架式具有强度大、耐冲击、操作简便、安全可靠等优点，缺点是收放过程人员参与较多，对操作人员技术水平要求高。滑道式使用倾斜的方式使UUV通过重力滑入水中，操作过程较为简单，无需复杂的机械控制，缺点是设计的滑道通常只能收放直径在一定范围的圆柱体UUV^{[8 − 11]}。

目前各国多家科研机构均开展了对此类布放回收装置的研究，并在实际应用上取得了一定的成果^{[12 − 14]}。图1为“Explorer” AUV布放回收系统以倾斜滑道的方式布放回收AUV，该方式明显减少操作人员参与，且可在4级海况下作业。

图2为中国科学院沈阳自动化研究所研制的潜龙AUV滑道式专用收放系统，该收放系统通过多个自由度动作的有序组合，可实现对AUV的高自动化、少人化、高效化的布放回收操作，并在2019年11月仅需3人就完成了AUV布放回收外场试验。

随着UUV集群作业应用越来越多，不同类型UUV协同作业的现象逐渐成常态，单一类型UUV布放回收装置已不足够满足应用需求^[15-16]。综合考虑当前各类回收UUV方案特点，本文参考滑道式布放回收方式提出一种可用于多类型UUV布放回收装置的设计方案，装置的各个部分均采用模块化设计，主要部分包括底架、移动架、托架、液压马达、变幅油缸、液压绞车、脱钩器、左右限位机构以及防横滚机构。本文所设计方案具有可收放不同类型UUV、作业人员少、高自动化等优点，为重型UUV少人化布放回收提供一种新的设计方案。

1 机械结构设计

本文所设计的布放回收装置整体结构如图3所示，底架用于装置整体和母船甲板连接，底架上方工字钢滑道与移动架下方两侧工字钢滑轮组合成滑台，通过移动架上方的液压马达带动齿轮在齿条上运动实现移动架以及托架的前后移动，托架与移动架通过两变幅油缸上下铰连接以及两轴承座连接；托架通过变幅油缸伸缩实现抬起和复位；液压绞车安装在托架首端；艏限位车安装在托架中部，可根据滑道沿回收方向往复运动，前后均有限位装置；液压站分别为液压马达、液压绞车和变幅油缸供油；能源通过一侧拖链走线完成线路连接；托架整体长10 m，宽2.96 m，高3.3 m，底架和工字钢滑设计长度为20 m，装置总重约14800 kg。

本文自主脱钩方案如图4所示，液压绞车上牵引绳穿过UUV艏部牵引环后，将其固定至脱钩器上，当绞盘释放牵引绳、UUV以及艏限位车因自身重力沿滑道向下滑去，直至UUV被布放水中，脱钩器收缩解除牵引绳固定，液压绞车将牵引绳回收，实现自主脱钩。

本文在托架上部两侧各安装有左右限位机构以及防横滚机构，具体安装位置如图5所示。在回收多体UUV时，左右限位装置用于回收导向限位以及防撞，防横滚机构用于多体UUV回收发生倾斜通过弹簧的弹力进行自动扶正。

2 工作原理

本文设计的布放回收装置在布放时分为4个步骤（以布放单体为例）：

步骤1　UUV放置布放回收装置上，牵引绳穿过UUV艏部牵引环后固定于脱钩器，液压马达带动齿轮齿条运动将移动架连同托架移至布放位置；

步骤2　变幅油缸轴伸出使托架倾斜至布放角度，液压绞车释放牵引绳，艏限位车连同UUV依靠自身重力向下滑动；

步骤3　艏限位车下滑至限位位置后停止，UUV继续向下滑动，直至整体进入水中；

步骤4　UUV置入水中后，脱钩器伸缩轴收缩释放牵引绳，液压绞车回收牵引绳使UUV顺利脱绳，完成布放。

回收时分为4个步骤（以回收多体为例）：

步骤1　母船航行至UUV所在区域或UUV航行至母船回收区域附近，布放回收装置平移至母船甲板外，托架倾斜处于回收状态，艏限位车根据自身重力下移至限位位置；

步骤2　液压绞车释放牵引绳，作业人员下小艇将牵引绳穿过艏限位车后连接至UUV艏部牵引环；

步骤3　液压绞车收缩绳索，UUV艏部与艏限位车上圆形橡胶罩对接后一同被拖曳至托架上指定位置，拖曳过程中多体UUV产生的倾斜可由左右限位机构以及防横滚机构实现自动扶正；

步骤4　变幅油缸轴收缩，液压马达带动齿轮齿条，移动架连同托架回收至甲板内指定位置，完成回收。

布放回收三维流程图如图6和图7所示。其中，在整个布放回收流程中仅有牵引绳挂至脱钩器上和牵引绳挂至UUV艏部牵引环上需要作业人员参与，其余作业流程均可通过远程操控进行，减少了布放回收过程中作业人员的现场参与阶段和参与人数，提高了布放回收装置的自动化水平以及回收效率。

3 仿真分析 3.1 受力分析

因布放和回收流程托架相同位置的受力大小相同，因此分析一种即可。以布放过程为例，变幅油缸通过轴的伸缩可实现托架的抬起和水平放置，在此过程中变幅油缸受力大小有所变化，为保证选型符合装置要求，需要对其受力情况进行分析。已知需要抬起的托架及以上整体质量为5300 kg，目标收放最大UUV为多体UUV，由三圆柱舱体并联组成，长度为8 m，总宽度为1.5 m，总重为4400 kg。布放回收装置处于布放状态时变幅油缸受力情况如图8所示。

图中，OC′为托架水平位置，OC为托架抬起状态位置，点B′、点A为变幅油缸上下两端固定支座位置，点O为轴承座位置，点D为托架整体重心位置，点U为UUV完全回收到位时的重心，点U′为UUV临界脱离水面时重心位置，α为变幅油缸力垂直作用线与水平移动架的夹角，β为托架与水平移动架之间的夹角。其中OA=2 m，OD=1.9 m，OU=3 m，OU′=4 m。在托架处于布放位置时，此时角α=35°，角β=45°。根据力平衡关系可得出以下公式：

$ \left\{\begin{aligned} & F=mg，\\ & M=FL，\\ & \Sigma M=0，\\ & 2F_B\cdot OA\cdot\mathrm{cos}\alpha=(F_D\cdot OD+F_{U'}\cdot OU')\cdot\mathrm{cos}\beta。\end{aligned}\right. $

(1)

式中：$ {F}_{B} $为单根变幅油缸轴所受拉力；$ {F}_{D} $为托架整体重力；$ {F}_{U{'}} $为UUV重力。

化简得：

$ {F}_{B}=\frac{{(F}_{D}\cdot OD+{F}_{U{'}}\cdot OU{'})\cos\beta }{2OA\cdot \cos\alpha }。$

(2)

UUV重心由U′点被拖曳至U点过程中，托架抬起角度为恒定值，只有UUV重心位置发生改变，由式(2)可得出在UUV脱水临界时，即重心处于U′时变幅油缸轴受力最大，重心处于U时变幅油缸受力最小。则：$ {F}_{B\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=58\;518.8\;\mathrm{N} $，$ {F}_{B\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}=49\;213.4\;\mathrm{N} $。

UUV拖曳回收完成后，其重心位置处于U点固定不动，此时变幅油缸轴所受力的大小由角α、β决定。当变幅油缸轴收缩时，角α、β均逐渐减小，由于角β减小速度大于角α，则$ \dfrac{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta }{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha } $逐渐变大，由式(2)可得出角$ \alpha 、\mathrm{角}\beta $减小为0°时，变幅油缸轴受力最大，及：

$ F'_{B\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{(F_DOD+F_UOU)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta}{2OA\cdot\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha}=57\; 011.5\; \mathrm{N}。$

因$ {F}_{B\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $>$ {F{'}}_{B\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $，所以变幅油缸所受最大力发生在UUV刚脱水时。

处于O点的2个轴承座为托架转动点，为确保轴承座能够安全可靠的运行，需要对其受力进行分析。2个轴承座所受力$ {2F}_{O} $大小为托架整体和变幅油缸受力矢量和，可通过水平方向和垂直方向分别计算：

$ \left\{\begin{aligned} &{2F}_{Ox}={F}_{B}\mathrm{sin}\alpha，\\ &{2F}_{Oy}={F}_{B}\mathrm{cos}\alpha +{F}_{D}+{F}_{U{'}}，\\ &{F}_{O}=\sqrt{{{F}_{Ox}}^{2}+{{F}_{Oy}}^{2}}。\end{aligned}\right. $

(3)

其中，$ {F}_{D} $和$ {F}_{U{'}} $为定值。根据式(3)可知轴承座受力大小与变幅油缸受力有关，变幅油缸受力最大时轴承座受力最大，带入计算数值可得：$ F_{O\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=73\; 440.8\; \mathrm{N} $。

在UUV收放过程中，液压绞车带动牵引绳拖曳UUV过程的也至关重要，为保证牵引绳在拖曳过程中稳定可靠，需要对牵引绳受力大小进行分析。在布放UUV时，牵引绳穿过UUV艏部牵引环后固定于脱钩器轴上，此时UUV艏部牵引环可看作为动滑轮，牵引绳为2根绳索受力，其受力远小于回收时牵引绳受力大小。因此只需分析回收过程中牵引绳受力大小即可。装置设计时将绞车牵引绳拖曳位置与UUV艏部牵引环位置保持水平一致，故绞车拖曳时牵引绳受力方向可视作与托架水平，力的变化仅与托架角度变化有关，受力分析如图9所示。

在液压绞车回收UUV过程中，会受到UUV沿回收方向重力分力以及UUV垂直于托架的重力分力产生的摩擦力，取UUV表面与滑道轮接触摩擦系数μ为0.01，液压绞车回收时所受力$ {F}_{T} $为：

$ \left\{\begin{aligned} & F_T=\mu F_{U_1}+F_{U_2}，\\ & F_{U_1}=F_U\mathrm{cos}\beta，\\ & F_{U_2}=F_U\mathrm{sin}\beta。\end{aligned}\right. $

(4)

由式(4)可知，$ {F}_{T} $大小与托架倾斜角度有关，随着托架倾斜角度越大，$ {F}_{T} $就越大，已知托架设计最大抬起角度为45°，则$ {F}_{T\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=36\;917.5\;\mathrm{N} $。

装置主体是通过液压马达驱动齿轮齿条运动实现回收方向的平移运动，需被平移的部件包括滑动框架、托架、变幅油缸、对接架和UUV等。其中，装置的重量为10900 kg，UUV取三体的最大重量为4400 kg，总重为m=15300 kg，则平移装置时需要的驱动力$ {F}_{1}=\mu mg =14\;994\;\mathrm{N} $。其中，$ {F}_{1} $为驱动力；μ为滑轮与工字钢轨之间的滚动摩擦系数，取0.1；m为被移动质量。

初选用于平移运动的齿轮齿条参数如表1所示。

齿条选用材料为C45，齿轮选用材料为16MnCr5，其容许进给力$ {F}_{uTab} $=152500 N。齿轮计算容许驱动力$ {F}_{uzul} $计算公式为：

$ {F}_{uzul}= \dfrac{{F}_{uTab}}{{K}_{A}{S}_{B}{f}_{n}{L}_{KHb}}。$

(5)

式中：$ {F}_{uzul} $为计算容许驱动力，$ {K}_{A} $为负载系数，取1.5；$ {S}_{B} $为安全系数，取1.4；$ {f}_{n} $为使用寿命系数，取1.05；$ {L}_{KHb} $为线性负载分布系数，取1.5。

代入数据得出：$ F_{uzul}=48\; 610\; \mathrm{N}$。

则$ {F}_{uzul} $=48610 N＞$ {F}_{1} $=14994 N，选取的齿轮齿条满足设计要求。

本装置选用OMP125型号液压马达，其扭矩194 N·m，减速比配比i=37，最大输出扭矩为T=7178 N·m，取安全系数S=1.5，则所需扭矩$ {T}_{1}=S{F}_{1}r=2\;249.1\;\mathrm{N}\cdot \mathrm{m} $。

则$ T \gt {T}_{1} $，液压马达可稳定工作，满足要求。

3.2 关键部件强度校核

为确保关键部件强度符合使用要求，本文采用Solidworks软件中Simulation插件对变幅油缸铰链支座、轴承座以及托架进行强度校核。铰链支座材料为AISI304，将铰链支底部固定，向支座圆柱孔施加58518.8 N的力，所受应力大小以及产生位移变化量如图10所示。

对轴承底座材料设置为Q345B，对轴承底座孔施加73440.8 N的力，其应力分布和位移变化量如图11所示。

托架设置材料为Q345B，在其上方施加托架自身重力与安装在托架上方所有模块和UUV对托架的作用力，其应力分布和位移变化量如图12所示。

各关键部件强度校核结果汇总如表2所示。可知，各关键部件所受最大应力均小于对应屈服强度，强度设计均符合要求。其中托架最大位移为19.35 mm，其最大允许变形通常为跨度的1/250～1/300，托架长度为10 m，对应最大允许跨度为33.3～40 mm，可知其变形也符合要求。

3.3 动力学仿真分析

将布放回收装置三维模型保存为x_t格式导入 Adams动力学仿真软件中，通过给定参数进行布放过程仿真，验证装置设计运行可行性，并对工作过程中齿轮齿条以及变幅油缸受力变化情况进行仿真（见图13）。

本文根据齿轮齿条机构运动特点原理，利用冲击函数法（impact）来模拟齿轮与齿条间的动态啮合力，接触力F相关公式如下：

$ {\left\{\begin{aligned} & F=0,q\geqslant q_0，\\ & K\left(q_0-q\right)^e-C\times\dfrac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t}\times S T E P\left(q,q_0-d,l,q_0,0\right),q \lt q_0。\end{aligned}\right.} $

(6)

$ K= \frac{4}{3}\sqrt{{R}_{1}{R}_{2}}\frac{{E}_{1}{E}_{2}}{{E}_{1}\left(1-{{\mu }_{2}}^{2}\right)+{E}_{2}\left(1-{{\mu }_{1}}^{2}\right)}。$

(7)

式中：STEP为阶跃函数；q₀ 为齿轮齿条在啮合之前的实际长度；q为啮合期间中的实际长度；q₀-q为啮合运动过程中的最大变形量；K为啮合刚度系数，由物体的结构形状及材料决定；e为最大啮合阻力系数，取值1.5；C为最大阻尼系数，取值50 N·s/mm；d为最大啮合切入深度，取值0.1 mm；E₁、E₂为齿轮齿条材料弹性模量，取2.07×10⁵；μ₁ 、μ₂分别为齿轮、齿条材料的泊松比，取0.3；R₁、R₂分别为齿轮齿条的当量半径。

给定齿轮齿条实际负载大小后进行运动仿真，仿真结果如图14所示，可以看出齿轮运动过程中齿轮齿条接触力从开始逐步增大到稳定在16000 N左右，接触力大小与受力分析计算的驱动力数值接近且波动最大值小于齿轮容许驱动力，运行稳定能实现正常作业。

设置变幅油缸轴伸出速度为1 450 mm/min，获得变幅油缸位移与受力变化曲线，如图15所示。通过仿真曲线结果可知，随着变幅油缸伸出长度的增加，变幅油缸轴受力由最大57000 N逐渐减小至49250 N，与受力分析计算结果大小变化趋于一致，仿真过程运行稳定无干涉，装置设计理论可行。

4 试　验

为验证本文设计的布放回收装置的实际可行性，搭建了布放回收装置原理样机，并安装在室内水池旁进行试验测试，被测试对象为单体UUV，其直径为534 mm，长度约为8 m，重量约为1.5 t。首先将布放回收装置各模块进行装配，将底架与地面完成固定，其次通过远程控制检验驱动马达、液压油缸和液压绞车空载运行情况，验证各机构的协同性能。

完成布放回收装置安装后，将单体UUV放置水池中，根据回收流程进行回收试验，具体试验内容如图16所示。

水池试验，首先托架倾斜使导向罩浸入水中，作业人员将牵引绳挂至UUV艏部牵引环上，之后绞车收绳，UUV通过导向罩导向与牵引绳拖曳顺利与艏限位车对接，随后一同被拖曳至托架上，托架抬起使UUV水平，驱动马达带动齿轮齿条将托架平移至指定位置，完成回收。

水池试验表明，本文提出的布放回收装置可在实际工况下平稳可靠运行，其机械结构及执行机构设计可行，且试验过程中该装置所有执行机构运行均通过远程操控，可实现未来布放回收重型UUV过程中的少人化、高自动化。

5 结　语

本文在分析不同重型UUV布放回收方式的特点和功能后，基于目前存在的一些问题，设计了一种可用于多类型UUV的布放回收装置，并对该装置进行了总体结构设计、工作原理分析、静力学分析以及动力学仿真分析，验证了装置设计的理论可行性，最后通过搭建一套原理样机进行试验验证。

本次试验是对设计的装置进行功能性测试，验证了该装置机械结构以及各个执行机构基本可行，功能实现完整，后续会继续进行试验，对其系统、功能进行进一步的测试。本文为重型UUV少人化布放回收提供一种新的设计方案。同时，该装置具有很好的通用性，可收放一定尺寸范围内的单体和多体UUV。